氮化铝钇（AlYN）因其卓越的物理特性，已经成为全球众多研究团队关注的焦点。然而，这种材料的制备一直颇具挑战性，传统上仅能通过磁控溅射沉积方法来实现。现在，弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（IAF）的科研人员采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术成功制造出这种新材料，为开发多样化的应用铺平了道路。
"我们的研究标志着新型半导体结构开发的一个里程碑，" 弗劳恩霍夫IAF的外延领域科学家Stefano Leone博士表示："AlYN不仅能够提升性能，还能最大限度地降低能耗，这对于我们日益数字化和互联的社会，以及其不断增长的技术需求至关重要。" AlYN以其优异的材料特性，有潜力成为未来技术创新的关键材料。
近期的研究表明，AlYN具有如铁电性等显著的材料特性。在开发这种新型复合半导体时，研究人员特别关注了AlYN与氮化镓（GaN）的兼容性：AlYN的晶格结构能够与GaN完美匹配，而AlYN/GaN异质结构预计将为未来电子产品的开发带来显著的优势。
2023年，弗劳恩霍夫IAF的研究团队首次成功沉积了600纳米厚的AlYN层，实现了突破性进展。该层具有纤锌矿结构，钇浓度达到了30%以上，创下了新纪录。现在，研究人员又取得了新的突破：他们制备了钇浓度可精确调节的AlYN/GaN异质结构，展现出了卓越的结构质量和电学性能。这种新型异质结构的钇浓度高达16%。由Lutz Kirste博士领导的结构分析小组将继续进行详细分析，以更深入地理解AlYN的结构和化学特性。
弗劳恩霍夫的研究人员已经测量了AlYN非常有前景的电学特性，这对于电子元件的应用具有重要意义。"我们观察到的薄层电阻、电子密度和电子迁移率值都给人留下了深刻印象。这些结果向我们展示了AlYN在高频和高性能电子产品中的潜力，" Leone报告说。
图：科研人员发现新型半导体材料AIYN
AlYN/GaN异质结构由于具有纤锌矿晶体结构，能够与氮化镓的纤锌矿结构良好匹配，预计将开发出性能更优、可靠性更高的半导体元件。此外，AlYN能够在异质结构中诱导出二维电子气（2DEG）。弗劳恩霍夫IAF的最新研究结果显示，当钇浓度约为8%时，AlYN/GaN异质结构中的2DEG特性最佳。
材料表征结果还表明，AlYN可用于高电子迁移率晶体管（HEMT）。研究人员观察到在低温下电子迁移率显著增加（在7 K时超过3000 cm²/Vs）。该团队已经在展示制造所需的外延异质结构方面取得了重大进展，并继续探索用于开发HEMT的新型半导体。
研究人员对AlYN/GaN异质结构在工业应用中的潜力持乐观态度。他们在4英寸SiC衬底上生长的AlYN/GaN异质结构，展示了异质结构的可扩展性和结构均匀性。在商用MOCVD反应器中成功创建AlYN层，为在更大的MOCVD反应器中扩展到更大的衬底奠定了基础。这种方法被认为是制造大面积半导体结构最有效的途径，并突显了AlYN在半导体器件大规模生产中的潜力。
由于其铁电特性，AlYN非常适合开发非挥发性存储器应用。另一个重要优势是该材料对层厚度没有限制。因此，弗劳恩霍夫IAF的研究团队鼓励进一步研究AlYN层在非挥发性存储器方面的应用，基于AlYN的存储器有望推动可持续且节能的数据存储解决方案，这对于必须应对人工智能计算能力指数级增长和能耗显著增加的数据中心尤为重要。
然而，AlYN的工业应用面临一个主要障碍：其易受氧化影响，这可能影响其在某些电子应用方面的适用性。"未来，探索减少或克服氧化影响的策略将非常重要。高纯度前体的开发、保护涂层的使用或创新的制造技术都可能有助于实现这一目标。AlYN易受氧化影响是一项重大的研究挑战，需要确保研究工作集中在最有可能成功的领域，" Leone总结道。
